CN1009787B - 具有自由振荡通流型变换器的开关电源部件 - Google Patents

Abstract

本发明是关于开关电源部件，它具有把输入交流电压(UE)变成直流电压(UG)的一个整流器(BG)和一个含有开关晶体管(T₁)及变压器(U)的逆变器。依发明逆变器是一个自由振荡的，通流型逆交器，其中开关晶体管(T₁)在没有电流状态下被接通。

Description

本发明涉及一种具有把输入交流电压（UE）变成直流电压（UG）的一个整流器（GB），一个含有开关晶体管（T₁）与变压器 的逆变器的开关电源部件。

开关电源部件目前在很大范围内作电源使用，因为它比50周电源更小，更轻便，造价也更便宜。

一般公知的开关电源部件具有变压器，它的初级线圈可以通过开关晶体管存储能量，并从其二次侧的一个绕组或多个绕组中把能量以一个或者多个恒定电压的形式取出。变压器是通流型变换器或阻塞型变换器的组成部分。这类变换器的构造及原理均在由Joachim    Wüstehube著的，在1979年由Exnert出版社售出的书“开关电源部件”的章2.1中作了详细的描述。

开关电源部件大部分工作在16至50KHz的频率范围内。由于出现的电流、电压曲线具有大的上冲成份，此外还必须关闭和接通大电流，高电压，因此要考虑在150KHz以上（长波）频率范围内产生显著的干扰。由于干扰可能扩散到公用网络中或者辐射到空间，因此对干扰频率特性有相关的规定。

为了抑制在电网中不对称的干扰电压，在开关电源中，变压器的初级和次级之间具有屏蔽。屏蔽可以由绝缘放置在初级绕组上的铜箔组成。

阻塞型变换器电源部件具有一个带有空气隙的变压器。在大功率 时在变压器的铁心和屏蔽内产生大的涡流损耗。因此在一般情况下（见Wüstehube著作），不是使用铜箔而是应用一个所谓的导线网来作屏蔽。制造这种供阻塞型变换器使用的变压器因此破费、昂贵。

公知的通流型变换器具有实质上由固定频率控制的，周期工作的开关晶体管，及无空气隙的变压器，它的初级绕组放在开关晶体管的集电极回路，而在次级绕组通过整流器取出直流电压。因为在这种电路原理下电路是以给定的开关频率工作的，故开关晶体管导通时间点被预先确定了。这样的开关原理具有缺点，开关晶体管在有电流时被导通，在二次侧回路中续流二极管在有电流时转变为阻断状态。这在电网导线上产生高的无线电干扰电压，在通讯技术中用的报文仪器中使用这种逆变电路，并根据保护级别2进行电流隔离时，即不使用地线时，这些仪器可能会无法把干扰消除到B类极限值所要求的干扰电平。

发明的任务是给出一种隔离电流的开关电源部件，使用时在连接导线上仅出现微小的干扰脉冲，并且它具有一个微小涡流损耗的变压器。

该任务可以通过在权项1中特征部分所描述的技术特征创造性地解决了。

依发明作出的开关电源部件的优点在于，由于集电极电流是三角波，逆变器容易去干扰。

由此，开关晶体管是在没有电流时接通的，开关损耗减少了。

由此，依发明所作的开关电源器件只有一个通流型变换器，为了屏蔽变压器的初级绕组，仅需应用一个易加工的金属薄膜。

下面依照一个在附图中所示的实施实例描述发明。

在图中所示的开关电源部件是一个通流型变换器，输入交流电压UE加在它的两个输入端E₁和E₂上。桥式整流电路BG对交流电压UE整流，使1和2端呈现直流电压UG，端1相对端2是正电位。直流电压UG被接在端1和端2之间的电容C₁滤波。此外由电阻R₁和R₂组成的串联电路及由初级绕组W₁，开关晶体管T₁的集电极到发射极组成的串联电路都并接在端1和端2之间，一个没有专门标出的，电阻R₁和电阻R₂之间的分压点和开关晶体管T₁的基极相联。

变压器 包括了初级绕组W₁，去磁绕组W₂，控制绕组W₃和次级绕组W₄。初级绕组W₁和次级绕组W₂的极性相同，控制绕组W₃和去磁绕组W₄的极性和它们相反。去磁绕组W₂和二极管D₁串联接在端1和端2之间，其中二极管的阴极和端1相联。

在开关晶体管T₁的基极和端2之间接有控制晶体管T₂的集电极发射极支路。控制晶体管T₂的基极通过电容C₃，通过由电阻R₄和控制绕组W₃和端2相联。电阻R₄和二极管D₂相并联，二极管的阳极和控制晶体管T₂的基极连联，而它的阴极通过由电容C₂和电阻R₃组成的串联电路和开关晶体管T₁的基极相联。

电阻R₃和电容C₂共同作用控制开关晶体管T₁的导通状态，而电容C₃和电阻R₄，控制晶体管T₃及二极管D₂控制开关晶体管T₁的关闭状态。

次级绕组W₄的一端通过整流二极管D₃，电感线圈L和输出端A₁相联。次级绕组W₄的另一端直接和输出端A₂相联。输出端A₂又经过一个续流二极管D₂顺其整流方向与整流二极管D₃的阴极相 联，为了滤平在输出端A₁A₂上取得的输出直流电压UA，在端子之间接有电容C₄，在端子A₁A₂之间还联有一个负载电阻RL，它象征性表示一个外界用户。

下面将描述开关电源部件的工作方式。

经过整流的交流输入电压UE，即直流电压UG经变压器 的初级绕组W₁，开关晶体管T₁逆变成具有一定频率的电压。在接通开关电源时，电容C₂通过电阻R₁，R₃和控制绕组W₃充电。当达到开关晶体管T₁的基极的阀值电压时，它开始导通，通流型变换器开始工作。

当开关晶体管T₁处在导通阶段时，能量传送到变压器

的次级侧，同时整流器二极管D₃通导而续流二极管D₂被关闭，这样通过在电感L中通过的电流，可以实现在电容C₄上取出输出直流电压。当电流流通时，不仅负载电阻R_L吸取能量，电感也是如此。并把它作为磁能存储起来。在初级线圈中的电流峰值是由电感L，初次级回路中的损耗电阻之和，开关晶体管T₁的导通时间和输出直流电压UA的值确定的。同样在开关晶体管T₁的导通状态时，在变压器

的初级侧电容C₃通过控制绕组W₃的感应电流流经电阻R₄充电。在电容器C₃充电到控制晶体三极管T₂的基极阀值电压时，控制晶体管将脉冲式地导通，把晶体管T₁关闭，这样开关晶体管T₁的导通时间实质上由电阻R₄和电容C₃形成的时间常数决定了。在开关晶体管T₁的关闭阶段，在它基极的电位相对桥式整流器BG端2的电位为负，开关晶体管T₁基极电压翻转是由于控制绕组W₃电压翻转造成的。开关晶体管的关闭过程是由控制晶体管引入的，并由控制绕组W₃在去磁时一直保持着。

在开关晶体管T₁的关闭阶段，在变压器

的次级线圈侧整流器二极管D₃反向偏置，因而没有电流。由于电感L中存储了能量，电流在同一方向继续通过电感，负载电阻RL和现在才开始导通的续流二极管。

在开关晶体管T₁导通阶段由变压器铁心吸收的磁能，在开关晶体管T₁关闭阶段以电流形式通过去磁线圈W₂和二极管D₁流回电压源，即流回电容器C₁。在变压器

去磁后，和在续流二极管没有电流的状态下开关晶体管T₁重新开始通导。在开关晶体管关闭阶段，它的基极呈现的负电压在去磁后已经去掉。通过电阻R₃和控制绕组W₃电容C₂重新充电，开关晶体管T₁重新进入导通阶段。在开关晶体管T₁关闭阶段开始时，二极管D₂使电容器C₃迅速放电。

依发明所作的开关电源的基本思想是，并不事先确定开关晶体管T₁的导通时刻及它的开关频率。在变压器 去磁后和续流二极管在没有电流的状态下，开关晶体管T₁又将自行导通。这样开关晶体管T₁不是在有电流时接通，这样在初级级回路中流着容易消除干扰的三角波形集电极电流。

在本发明的开关电源部件中开关晶体管T₁在给定的时间内接通，在接通时间区间以后，即在开关晶体管关闭期间变压器去磁。在去磁以后，并在续流二极管D₄没有电流时开关晶体管T₁重新导通，去磁化结束的时刻可基本上通过控制绕组W₃获知。

任何可调节的半导体开关元件都可以作为开关晶体管T₁在本发明的开关电源中使用。

标号明细表

T₁开关晶体管

T₂控制晶体管

W₁初级绕组

W₂去磁化绕组

W₃控制绕组

W₄次级绕组

变压器

BG    桥式整流器

UE    输入端交流电压

UA    输出端直流电压

D₁D₂二极管

D₃整流二极管

D₄续流二极管

L    电感

RL    负载电阻

E₁E₂输入端

A₁A₂输出端

UG    直流电压

C₁至C₄电容

R₁至R₄电阻

Claims (3)

1、开关电源部件具有一个把输入交流电压(UE)变为直流电压(UG)的整流器(BG)，一个带有一个开关晶体管(T1)和一个变压器( )以及一个控制绕组(W3)和一个去磁绕组(U2)的自激振荡通流型变流器，在次级绕组侧有一个整流二极管(D3)，一个电感(L)、一个续流二极管(D4)和一个滤波电容(C4)，其特征在于，设有一个由一个电阻(R3)和一个串联电容(C2)组成的接通级电路，该电路在变压器( )去磁之后和在电感(L)没有电流的状态下通过控制绕组(W3)使开关晶体管(T1)自动接通，并在可预先给定的接通持续时间过后，通过在控制绕组(W3)中感应的电流，经过一个由控制晶体管(T2)、一个接在控制晶体管(T2)的基极引线和发射极引线之间的电容(C3)和一个与控制绕组(W3)串接的电阻(R4)组成的关断级电路使开关晶体管受到闭锁。

2、按照权利要求1的开关电源部件，其特征在于，接通持续时间取决于得自电阻（R4）的电阻值和电容器（C3）的电容值的时间常数。

3、按照权利要求1或2的开关电源部件，其特征在于，二极管（D2）与电阻（R4）并联，该二极管在变压器（

）开始去磁时使电容（C3）骤然放电。

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